《極速車王》片段

最近小編看了一部與造車和賽車有關的電影後熱血沸騰，不禁想問問大家：

《頭文字D》截圖

然而小編作為一個剛拿到駕照的新司機，以為自己是這樣開車的：

實際上是這樣開車的：

想必有不少小夥伴也像我一樣，曾掙紮于側方位停車和練車時必遇烈日炎炎的苦澀。不過你們有沒有好奇過，汽車是怎樣動起來的？

簡單來說，汽車運動是發動機将其它形式的能量（如熱能、電能）轉換為機械能來為汽車提供動能的。我們先來帶着一個問題來探讨下發動機的前世今生，下列選項中是哪位發明家最先發明了發動機？

A. 盧森堡的艾蒂安·勒努瓦

B. 法國的阿爾方斯·比奧·德羅夏

C. 德國的尼古拉斯·奧古斯特·奧托

答案

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A

出生于盧森堡的勒努瓦在1859年發明了二沖程燃氣發動機，二沖程發動機是指活塞每上下往複一次，燃燒一次。不過他發明的是燃氣發動機，其所用燃料不是汽油等液體，而是氣體。

二沖程發動機工作原理 | 來源：A. Schierwagen

1863年，法國人阿爾方斯·比奧·德羅夏發明了四沖程發動機，它也是燃氣發動機。在13年後，即1876年，德國的尼古拉斯·奧托以蒸汽機為基礎，根據德羅夏提出的原理發明了實用的單缸四沖程煤氣發動機，主要作為工廠的動力來源。1879年，德國的卡爾·本茨（沒錯，就是那個大名鼎鼎的奔馳公司創始人）試驗成功二沖程汽油發動機，并利用其制造出了最早的汽車——一輛三輪汽車。1885年，戴姆勒将四沖程汽油機裝在了自行車上從而發明了摩托車…

發動機在被發明後的一兩百年裡，進行了很多次的改進，如今汽車的發動機主要是四沖程發動機。發動機内有氣缸和活塞，活塞與連杆相接，連杆連接着活塞和曲軸。活塞在汽缸中進行上下往複運動，帶動連杆，從而使曲軸轉動，這就是汽車運動的基本工作原理。

汽車動力轉動系 | 圖源：《汽車是怎樣跑起來的》

活塞的往複運動包括進氣、壓縮、膨脹和排氣四個沖程，這也是四沖程的來源。其原理如圖所示，首先是進氣，空氣與汽油混合後的混合氣體被吸入汽缸，活塞向下運動；接着是壓縮，降至下止點的活塞逐漸上升，壓縮汽缸中的混合氣體；然後是膨脹，活塞升至上止點時，壓縮後的混合氣體被點燃，開始迅速燃燒，随後，氣體膨脹下壓活塞；最後是排氣，此時活塞再次上升，并随其上升向外排出混合氣體燃燒後殘留的煤煙。排氣結束後會返回到最初的進氣過程，再次重複壓縮、膨脹、排氣和進氣。

四沖程發動機工作原理

幾種常見的發動機工作示意圖：

直列式發動機——L4發動機，汽缸肩并肩地排成一排

水平對置式發動機——汽缸排列在發動機相對的兩個平面上

V型發動機——V6發動機，汽缸排列在成一定角度的兩個平面上

發動機做功帶動曲軸轉動為汽車的運動提供了驅動力——扭矩，扭矩是使物體發生轉動的一種特殊的力矩。在物理學裡，作用力促使物體繞着轉動軸或支點轉動的趨向，稱為力矩也就是扭轉的力，力矩能夠使物體改變其旋轉運動。力矩等于徑向矢量r與作用力F的外積：

簡略地說，力矩是一種施加于好像螺栓或飛輪一類的物體的扭轉力。例如，用扳手的開口箝緊螺栓或螺帽，然後轉動扳手，這動作會産生力矩來轉動螺栓或螺帽。

力矩與作用力的關系 | 來源：wiki

發動機的扭矩就是指發動機從曲軸端輸出的力矩，它反映了汽車在一定範圍内的負載能力。外部的扭矩叫轉矩或者叫外力偶矩，由摩擦力等産生；内部的叫内力偶矩或者叫扭矩，由發動機工作産生。

對汽車運動做一個簡要的力學分析，假設這是一輛後輪驅動車，對于後輪C，曲軸提供扭矩帶動輪胎轉動，輪胎與地面産生的摩擦力——抓地力抵抗輪胎的旋轉，從而轉化為汽車前進的動力。如果沒有摩擦生成的阻力，輪胎就無法推動汽車前進。摩擦産生的抓地力越大，阻力越大，汽車就能更快地行駛和轉向。在汽車正常啟動和行駛的情況下，這種摩擦可以理解為靜摩擦力，因為在輪胎與地面接觸的點A處沒有發生相對滑動。假設圓心C點處速度為：

則根據無滑滾動的條件，A點速度為：

再将上式對時間求導數得：

以C為基點，可求出輪胎上任意一點P的速度：

可以看出汽車的行駛速度與輪胎的轉速緊密相關。由于摩擦力提供牽引力，最後輸出到輪胎上的扭矩在數值上等于輪胎半徑R與摩擦力f的乘積。根據牛頓第二定律，在輪胎半徑R固定以及摩擦力小于最大靜摩擦力的情況下，扭矩越大，汽車的加速性越好，也就是所謂的“推背感”越好。

圖源：PCauto

發動機轉速表

當然，在汽車上扭矩與摩擦力和驅動力的關系遠沒那麼簡單，通過多個齒輪的耦合，最終汽車才可以動起來。引擎輸出至輪胎為止共經過兩次扭矩的放大，第一次由變速箱的檔位作用而産生，手動擋模式換擋時，換的就是齒輪的大小比率。如下圖所示，1檔時雖然增大了力，但是根據

，驅動輪轉速是發動機轉速的1/4，發動機轉速有限，因此行進的速度也受限，最多是20～30km/h，想要提高速度便需要通過換高擋來降低齒比提高驅動輪的轉速。

1檔～4檔使用的齒輪組一覽 | 圖源：《汽車是怎樣跑起來的》

第二次則由主減速比決定，在傳動系中起降低轉速，增大轉矩作用的主要部件是主減速器。相同的發動機，如選擇更大的主減速比，可獲得更大的最大扭力，加速時可以獲得較好的加速性能，不過犧牲的是最高車速。

扭矩的總放大倍率就是變速箱齒比與主減速比的相乘倍數，并且算上一些機械損耗。扭矩=引擎輸出扭矩×變速箱齒比×主減速比×機械效率。發動機的功率=牽引力×輪胎半徑×輪胎轉速；而扭矩=牽引力 × 輪胎半徑，故得出功率=扭矩×輪胎轉速。

總之，扭矩指的是力本身，而功率是指做功量。扭矩表示爆發力的大小，因此簡單來說是由排氣量的大小決定的。功率表示做功量，它與汽車能夠行駛得多快多遠（即速度）有關。即使是排氣量小、扭矩小的發動機，隻要能提高轉速，也能夠增大功率。

燒胎現象 | 圖源：pixabay

汽車與路面的唯一接觸點就是輪胎，因此輪胎的性能以及地面的狀态對汽車的行駛來說十分重要，安全行駛需要輪胎與地面保持無滑滾動的狀态，這種狀态隻有靜摩擦力存在。靜摩擦力有一定的限度，驅動力和加速度也受到了限制。當輪胎的轉動加速度時，輪胎與地面會發生滑動摩擦，比如在結了冰的路面、下過雨的路面都容易打滑，甚至在起步時油門轟得過快，也會發生輪胎部分空轉。我們在行駛過程中一定要随時留意輪胎狀态和路面情況，謹慎駕駛。

圖源：beebee星球

不僅在行駛過程中，在制動停車時靜摩擦力也起着十分重要的作用，輪胎不轉動就無法制動，這可能有些違背直覺。如果輪胎在汽車行駛時停轉了就會在路上滑行，急刹車時就可能出現這種現象。因此工程師設計了Anti-lock Brake System (ABS)也就是防抱死系統，該系統利用傳感器監測汽車的速度和輪胎的轉速關系從而調整制動的強度，這樣一來，即使我們在緊急情況踩緊刹車，輪胎也不會鎖住抱死。

刹車防抱死系統

在不得不出現滑動摩擦過彎的情況下，可以參考一下斯堪的納維亞鐘擺的過彎技巧：

斯堪的納維亞鐘擺 | 圖源：beebee星球

溫馨提示：開車時無論遇到什麼情況，都請淡定地握住方向盤，用我們所學的理論知識保證安全。

圖源：beebee星球

看完這些，還在考駕照的你是不是更有底氣了？

參考資料：

[1] 禦堀直嗣.《汽車是怎樣跑起來的》

[2] 盧聖治. 《理論力學基本教程》

[3] 力矩，維基百科

[4] 扭矩，百度百科

編輯：小林綠子

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